星周盤：孕育行星的搖籃

在宇宙中，絕大多數(shù)天體的形成和演化所需時間極長。這些時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的一生，因此我們無法直接觀測到絕大部分天體的形成與演化。為此，天文學(xué)家在過去一個世紀(jì)利用了大量的觀測數(shù)據(jù)，以類似人口普查的方式，來研究這些天體在不同演化時刻的狀態(tài)。然而，雖然恒星系統(tǒng)是星系的最小單元，但人類在1995年前只知道太陽系中存在著行星。

圖1：距離我們約130光年的恒星HR 8799周圍的四顆行星b、c、d和e，照片由詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝。圖源：NASA。

直到1995年，天文學(xué)家才在離我們約50光年的類日恒星飛馬座51中，找到了一顆行星：飛馬座51b。自此，天文學(xué)家通過各種方法（視向速度法、凌星法、天體測量法、直接成像法、微引力透鏡法等）探尋太陽系外的行星（即系外行星），而其探明數(shù)隨著時間幾乎呈指數(shù)級別增長。目前，人類已經(jīng)確認(rèn)了六千余顆系外行星的存在，并找到了熱木星、超級地球、亞海王星等現(xiàn)在在太陽系中并不存在的天體。這些系外行星的存在及它們的多樣性，已經(jīng)有效地革新了我們對行星形成和演化的認(rèn)知。

盡管人類已知道了六千余顆系外行星，我們對行星系統(tǒng)的演化仍是管中窺豹。具體來說，絕大多數(shù)系外行星都存在于年齡超過10億年的中年恒星周圍（即成熟行星），而僅有兩個年齡不足1千萬年的年輕恒星PDS 70及WISPIT 2周圍存在著四顆正在形成的行星（即原行星，見圖2）。相比人類對恒星及星系等的研究，成熟行星數(shù)量與原行星數(shù)量的巨大差異正是系外行星研究的不足之處——天文學(xué)家亟需探明處于不同演化階段的系外行星，從而完善對行星形成與演化的了解。

圖2：距離我們約440光年的年輕恒星WISPIT 2周圍的兩顆原行星WISPIT 2 b和WISPIT 2c及星周盤。兩個原行星均在星周盤中開鑿出了溝壑。在2026年3月，天文學(xué)家不僅確認(rèn)了WISPIT 2 c的存在，并在其紅外光譜中確認(rèn)了大氣中的一氧化碳。圖源：ESO。

星周盤的子結(jié)構(gòu)：行星存在的證據(jù)

在過去十年中，隨著大型地面望遠(yuǎn)鏡及先進(jìn)儀器的啟用，人類已在一百多顆恒星周圍找到盤狀結(jié)構(gòu)（即星周盤），見圖3。目前認(rèn)為，由于星周盤中含有塵埃和氣體，它們正是孕育行星的搖籃。我們雖然僅探明了四顆原行星的存在，但原行星可通過引力與星周盤相互作用，從而在星周盤上造成了大量豐富的子結(jié)構(gòu)，例如圖3中的溝壑與旋臂。因此，通過研究子結(jié)構(gòu)可揭示原行星存在的證據(jù)和位置，從而指導(dǎo)人類對這些行星進(jìn)行靶向拍照。

圖3：不同恒星周圍的星周盤，盤中存在豐富的溝壑、旋臂等子結(jié)構(gòu)。這些子結(jié)構(gòu)可能是由尚未被探明的行星造成的。在可見光和近紅外波段，由于星周盤亮度不到恒星的萬分之一，天文學(xué)家通過使用望遠(yuǎn)鏡的星冕儀進(jìn)行人造“星食”來遮蓋恒星，從而為星周盤及系外行星拍照。圖中白色橫線為50倍日地距離，灰色中心為星冕儀遮擋區(qū)域。圖源：ASPBOOKS。

星周盤多時刻圖：動態(tài)理解行星形成

除了探尋原行星，通過研究星周盤的子結(jié)構(gòu)，有助于我們理解星周盤內(nèi)部的物理機(jī)制。在盤內(nèi)部，尺寸在百公里級別的星子的撞擊，可增大亦可摧毀處于形成階段的行星核心。在2026年初，利用多時刻的星周盤照片，天文學(xué)家使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在恒星北落師門（Fomalhaut）附近，首次見證了星子撞擊事件，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志，見圖4。

北落師門的星子曾被當(dāng)作一個奇異的行星。在北落師門的星周盤中，天文學(xué)家于2008年從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的照片中找到了一個小亮點(diǎn)兒，并認(rèn)定其為行星，即北落師門b。然而，此行星在2014年的哈勃照片中消失。在2023年的哈勃照片中，天文學(xué)家確認(rèn)了北落師門b已消失，但在其他位置找到了一個新的小亮點(diǎn)兒。這表明：這兩個小亮點(diǎn)兒均不是行星，而是星子撞擊的證據(jù)。天文學(xué)家因此將原本意味著行星的名稱北落師門b改名為北落師門cs1（縮寫自英文circumstellar source 1，即第一個星周源），并將新的小亮點(diǎn)兒命名為北落師門cs2。根據(jù)北落師門cs1和cs2的約十年的出現(xiàn)間隔，天文學(xué)家探索到了星周盤系統(tǒng)中星子撞擊的頻率，用于動態(tài)地理解行星系統(tǒng)的形成與演化。

圖4：北落師門的星周盤中的兩次星子撞擊事件（cs1及cs2）。天文學(xué)家通過研究星子撞擊事件的間隔，來動態(tài)理解行星形成系統(tǒng)中的星子撞擊頻率，從而完善我們對行星系統(tǒng)的形成與演化的認(rèn)知。圖源：SCIENCE。

行星形成：立足中國，放眼世界

1992年，我國政府制定了載人航天工程的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。2022年末，我國全面建成了我們的國家級太空實(shí)驗(yàn)室——中國空間站。對于天文學(xué)家來說，我國載人航天工程規(guī)劃了一個口徑2米的大型空間天文望遠(yuǎn)鏡用于天文學(xué)研究——中國空間站工程巡天空間望遠(yuǎn)鏡（簡稱CSST）。該望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后計劃與我國的空間站共軌飛行，從而可以讓我們對其進(jìn)行定期的維護(hù)與升級。

針對行星系統(tǒng)的研究，CSST上安裝了一個用于理解行星形成與演化的照相機(jī)——冷行星成像星冕儀。天文學(xué)家將使用此星冕儀，對數(shù)百顆恒星逐一遮擋它們的中心區(qū)域來產(chǎn)生人造“星食”，從而來為其星周環(huán)境進(jìn)行拍照，來擴(kuò)充已有的三四十顆系外行星和一百多個行星盤的照片。與哈勃相應(yīng)的星冕儀相比，該儀器的靈敏度提升了至少一千倍，故而會有效地幫助天文學(xué)家探測到更多更暗的行星及星周盤。此外，我國的“天鄰”計劃預(yù)計在2035年左右發(fā)射一個6米級的空間望遠(yuǎn)鏡，從而有效地尋找太陽系外的生命信號。

針對系外行星和星周盤系統(tǒng)，我國的CSST與“天鄰”將與世界上已有的大型設(shè)備及儀器（哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)鏡、阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列等）聯(lián)袂，并與世界上未來的大型望遠(yuǎn)鏡（羅曼空間望遠(yuǎn)鏡、極大望遠(yuǎn)鏡、宜居世界天文臺等）進(jìn)行聯(lián)合觀測。通過探明不同演化階段的行星系統(tǒng)，我們可以對它們進(jìn)行“人口普查”，從而一起翻開人類對行星系統(tǒng)形成與演化認(rèn)知的新篇章。

來源：中國科學(xué)院國家天文臺

編輯：夜凌Ryelin

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